CN110542701A - 一种可燃气体吹熄极限测试装置 - Google Patents

一种可燃气体吹熄极限测试装置 Download PDF

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曾怡
周学进
杜建华
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Abstract

本发明提供一种可燃气体吹熄极限测试装置，首先包含一个气流发生系统，该系统主要由进气箱、加热段模块、测试箱及风机动力箱组成，用于营造可变风速的平行风场气流；其次包含一个预混气火焰发生系统，主要囊括了高压高纯度燃气气瓶、高压空气气瓶、各个气路与流量计、以及燃烧器等；通过改变平行风场的气流的预热温度、流速，并配合不同预混气组份比例、流量等参量的组合调节，可系统研究强气流对可燃气体火焰形态及吹熄极限的作用规律。

Description

一种可燃气体吹熄极限测试装置
技术领域
本发明涉及风场作用下的可燃气体燃烧、火灾特性等领域，更具体的说，涉及一种可燃气体吹熄极限测试装置。
背景技术
吹熄极限是燃烧动力学中的重要参数，可用于表征火焰在外部或内部气流作用下的稳定性。进一步地，火焰在外部横向气流(或剪切流场)作用下的吹熄极限则是火灾、燃烧研究中的重要课题之一，有助于进行可燃气燃烧性能分析、燃烧器稳定性设计以及热灾害分析等相关研究。
此前，学者们在可燃气体吹熄极限领域中已开展了一定的研究，例如在《不同环境条件下扩散射流火焰形态特征与推举、吹熄行为研究》(中国科学技术大学博士学位论文，作者：王强，年份：2015)一文的第三章中提到了一种用于研究侧向风作用下的可燃气扩散火焰吹熄测试装置，用于研究单一组份可燃气(文中选用了丙烷)在环境风作用下的燃烧行为变化。然而对于全面研究可燃气体的吹熄特性而言，此类测试装置还存在一些局限性：首先，可燃气为单一组分气体，只能进行扩散燃烧的吹熄测试；其次，横向气流只能调整风速，无法调整气流温度参数；同时燃烧器形式较为单一，不能完全反映现实中的复杂情况，因此，现有的测试方法并不能满足对可燃气体吹熄极限的深入探讨。
发明内容
本发明的目的是提出一种可燃气体吹熄极限测试装置，通过精确快捷的方式配比预混可燃气，用以研究各种浓度、流量下可燃气体火焰在横向平行风场作用中的吹熄特性。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种可燃气体吹熄极限测试装置，包括：气流发生系统和预混气火焰发生系统；
所述气流发生系统包括一个横截面为方形的进气箱，该进气箱在气流流入的一端焊接有若干整流板；所述进气箱的气流流出端连接一个横截面为方形的加热段模块；
所述加热段模块的内壁布设一条电加热带，该电加热带由若干电热丝排布而成、且功率可调节，用于对流入的气流进行预热，以使得气流达到预定初始温度；
在所述加热段模块后连接一个测试箱，该测试箱的中间部分为长方体筒体，而两个端部则渐缩，用于与其它部件进行密封连接；
所述测试箱中间部分的一个竖直壁面上开设一个矩形口，并在该矩形口的上方通过两个观察窗铰链安装一扇观察窗，所述观察窗的尺寸大于所述矩形口；
所述测试箱后端连接一个风机动力箱，该箱中安装有一台大功率变频风机，在所述风机动力箱后端是气流的流出口，在所述测试箱和所述风机动力箱底部分别焊接两个支座并置于地面，且使整个气流发生系统保持水平；
所述预混气火焰发生系统包括高压高纯度燃气气瓶和高压空气气瓶；所述高压高纯度燃气气瓶通过燃气气路依次串接一个燃气阀门和一个燃气流量计；所述高压空气气瓶通过空气气路依次串接一个空气阀门和一个空气流量计；所述燃气气路的后端接入所述空气气路的后端，并接入一个气体混合器后再通过预混气气路串接上一个预混气流量计并接入燃烧器的底部；
所述燃烧器包括一个燃烧器外壁，且底部的正中心打孔并焊接一个导管；所述导管穿过并固定于所述测试箱的底部正中心，用于连接所述预混气气路；在所述燃烧器外壁的内部布设一个由若干锥形筒构成的导流筒，并通过一个导流筒支架焊接固定于所述燃烧器外壁上；
在所述测试箱中，在所述燃烧器的风路上游分别安装一个热电偶和一个风速仪，并在所述燃烧器风路下游位于该燃烧器口处安装一个可进行遥控放电的电火花点火器，同时在正对所述观察窗一定距离处架设一台高速摄像机，用于火焰图像的拍摄。
在一较佳实施例中：所述整流板按一定上下间距，均匀地阵列于所述进气箱中。
在一较佳实施例中：所述加热段模块根据不同的气流预热温度采用一个或多个串联的方式。
在一较佳实施例中：所述燃烧器的上部燃烧口截面根据不同情况设计为各种形状。
在一较佳实施例中：所述燃烧器的上部燃烧口截面为圆形或圆环形或正方形或长方形或三角形。
在一较佳实施例中：所述热电偶和风速仪的安装位置避开该燃烧器的气流流动路线。
在一较佳实施例中：所述热电偶、风速仪以及高速摄像机的信号均接入数据采集卡，并通过计算机软件进行在线数据采集与监测。
与现有技术相比，本装置的技术优势如下：
1.本发明提供了一种可燃气体吹熄极限测试装置，所述进气箱的整流板能够使进入的气流尽量平稳均匀，而通过所述风机的变频调节、配合所述风速仪的实时数据反馈，可以为所述测试箱营造出精确的可变气流流速及流场。
2.本发明提供了一种可燃气体吹熄极限测试装置，所述燃烧器的尺寸、出口截面形状可灵活定制，从而研究不同工况下可燃气火焰的吹熄极限。
3.发明提供了一种可燃气体吹熄极限测试装置，所述各个流量计、气体混合器的联用，能够使可燃预混气的配比过程准确且快捷；同时，如果测试中不使用所述高压空气气瓶，还可以开展单一(未预混的)可燃气的扩散燃烧火焰吹熄测试。
4.本发明提供了一种可燃气体吹熄极限测试装置，所述加热段模块配合所述热电偶可以实现所述气流的温度调节，用于进一步研究复杂气流环境对可燃气吹熄极限的影响规律。
附图说明
图1为一种可燃气体吹熄极限测试装置的整体示意图；
图2为该测试装置中的燃烧器采用方形结构的示意图；
图3为该测试装置中的燃烧器采用圆形结构的示意图；
其中：100为进气箱，101为整流板，102为加热段模块，103为电加热带， 104为测试箱，105为观察窗，106为观察窗铰链，107为风机动力箱，108为风机，109为支座，110为地面，111为气流，112为燃烧器，113为热电偶，114为风速仪，115为电火花点火器，116为预混气气路，117为预混气流量计， 118为气体混合器，119为燃气气路，120为燃气流量计，121为空气气路，122 为空气流量计，123为燃气阀门，124为高压高纯度燃气气瓶，125为空气阀门，126为高压空气气瓶，127为高速摄像机；
200为方形燃烧器外壁，201为导流筒支架，202为导流筒；
300为圆形燃烧器外壁。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，该可燃气体吹熄极限测试装置首先包含一个气流发生系统，该系统包括一个进气箱100，该进气箱100由3mm厚度的不锈钢板材焊接而成，在气流111进入的一端焊接有若干上下间距相等的整流板，同时所述进气箱100 在气体111流入端的横截面为一个50cm高、50cm宽的正方形，而在所述进气箱100的另一端(流出端)横截面为35cm高、35cm宽，并随后连接一个加热段模块102，该模块102同样为方形截面的金属筒体，在其内壁上布设一条电加热带103，该电加热带103由若干电热丝排布而成、且功率可调节；在所述加热段模块102后，连接一个测试箱104，该测试箱104外壳由5mm厚不锈钢板材焊接而成，中间部分为60cm高、60cm宽、120cm长的长方体筒体，而两个端部则渐缩，在所述测试箱104中间部分的正前方开设有一个50cm高、110cm 长的矩形口，并通过两个观察窗铰链106安装一扇观察窗105，该观察窗105 为8mm厚的耐火玻璃材质，尺寸稍大于所述测试箱104正前方的正方形口，以保证对所述测试箱104侧壁开口的完全覆盖和密闭，同时通过铰链106还可以灵活打开所述观察窗105，以便对其内部的设备进行操作和布设；在所述测试箱104的后端，紧接着连接一个风机动力箱107，该箱107中安装有一台大功率且可变频的风机108，两者同轴，在风机动力箱107的后端是出口，用于气流111的排出，在所述测试箱104和所述风机动力箱107底部分别焊接两个支座109，置于地面110，并使整个气流发生系统保持水平。该测试装置中的第二个主要系统是预混气火焰发生系统，首先包含一个高压高纯度燃气气瓶124，例如10Mpa压力的甲烷气瓶，通过连接一条燃气气路119依次串接一个燃气阀门123和一个燃气流量计120，类似的，一个高压空气气瓶126通过连接一条空气气路121依次串接一个空气阀门125和一个空气流量计122，所述燃气气路119的后端通过焊接接入所述空气气路121的后端，并接入一个气体混合器 118，使两种气体充分预混，然后通过一条预混气气路116并串接上一个预混气流量计117接入一个不锈钢材质的燃烧器112的底部，所述燃烧器112的底部为一圆筒形，并刚好穿过且固定于所述测试箱104的底部正中心，而所述燃烧器112的上部可以根据需要加工为特定形状和尺寸，将在下面结合图2与图 3作进一步描述。此外，在所述测试箱104中于所述燃烧器112的风路上游的左斜方向和右斜方向分别安装一个热电偶113和一个风速仪114，并在所述燃烧器口安装一个电火花点火器115，该点火器115可进行遥控高压电火花放电，在正对所述观察窗105一定距离处架设一台高速摄像机127。
如图2所示，本实施例给出了一种方形的燃烧器112的结构，首先包含一个不锈钢材质的方形燃烧器外壁200，该外壁200上部是一个正方形横截面的盒形结构，例如长10cm、宽10cm、内壁高5cm，而在底部的正中心打孔并焊接一个金属导管，用于连接所述预混气气路116，在所述外壁200的内部布设一个由若干类似锥形筒构成的导流筒202，并通过一个导流筒支架201焊接固定于所述外壁200中。
如图3所示，本实施例还给出了另外一种圆形的燃烧器112的结构，其中的燃烧器外壁改用了一个圆形燃烧器外壁300，根据实际测试的需要，所示燃烧器112的形状、尺寸均可以灵活设计，所述的方形和圆形结构不作为本实施例的限制。
测试时，第一步先预设好预混气的流量和所述气流111的温度，例如将气流111的初始温度确定为50摄氏度，而所述燃气流量计120的燃气流通量预设为10升每分钟，所述空气流量计122的流通量预设为20升每分钟；第二步开启所述热电偶113、所述风速仪114和所述高速摄像机127，开始提前测量；第三步，开启所述燃气阀门123和所述空气阀门125，按预设的流量和比例进行燃气预混，同时启动所述电火花点火器115，直到点燃所述燃烧器112中的预混气后再关闭该点火器115；第四步，开启所述风机108和所述电加热带103，将两者的功率同时逐步调大，并配合所述热电偶113的测量，使所述测试箱104 内的气流111温度保持在50摄氏度(允许有10％以内的扰动误差)；第五步，继续缓慢增加所述风机108的功率(同时配合增加所述电加热带103的功率以维持气流111的预设温度值，该过程中实时更具所述热电偶113的读数进行所述电加热带103功率的调整)，当所述测试箱104内的气流111增加到一个临界值后，所述燃烧器112上的火焰被吹熄，此时可停止测试，并保持好相关温度、速度、及图像数据，以备分析。
随后，通过不同预混气流量比例、气流预热温度等参量的组合，可进一步研究强气流对可燃气体火焰的吹熄极限变化规律。
上文所述，仅为本发明较佳的实施范例，不能依此限定本发明实施的范围。即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种可燃气体吹熄极限测试装置，其特征在于包括：气流发生系统和预混气火焰发生系统；
所述气流发生系统包括一个横截面为方形的进气箱，该进气箱在气流流入的一端焊接有若干整流板；所述进气箱的气流流出端连接一个横截面为方形的加热段模块；
所述加热段模块的内壁布设一条电加热带，该电加热带由若干电热丝排布而成、且功率可调节，用于对流入的气流进行预热，以使得气流达到预定初始温度；
在所述加热段模块后连接一个测试箱，该测试箱的中间部分为长方体筒体，而两个端部则渐缩，用于与其它部件进行密封连接；
所述测试箱中间部分的一个竖直壁面上开设一个矩形口，并在该矩形口的上方通过两个观察窗铰链安装一扇观察窗，所述观察窗的尺寸大于所述矩形口；
所述测试箱后端连接一个风机动力箱，该箱中安装有一台大功率变频风机，在所述风机动力箱后端是气流的流出口，在所述测试箱和所述风机动力箱底部分别焊接两个支座并置于地面，且使整个气流发生系统保持水平；
所述预混气火焰发生系统包括高压高纯度燃气气瓶和高压空气气瓶；所述高压高纯度燃气气瓶通过燃气气路依次串接一个燃气阀门和一个燃气流量计；所述高压空气气瓶通过空气气路依次串接一个空气阀门和一个空气流量计；所述燃气气路的后端接入所述空气气路的后端，并接入一个气体混合器后再通过预混气气路串接上一个预混气流量计并接入燃烧器的底部；
所述燃烧器包括一个燃烧器外壁，且底部的正中心打孔并焊接一个导管；所述导管穿过并固定于所述测试箱的底部正中心，用于连接所述预混气气路；在所述燃烧器外壁的内部布设一个由若干锥形筒构成的导流筒，并通过一个导流筒支架焊接固定于所述燃烧器外壁上；
在所述测试箱中，在所述燃烧器的风路上游分别安装一个热电偶和一个风速仪，并在所述燃烧器风路下游位于该燃烧器口处安装一个可进行遥控放电的电火花点火器，同时在正对所述观察窗一定距离处架设一台高速摄像机，用于火焰图像的拍摄。
2.根据权利要求1所述的一种可燃气体吹熄极限测试装置，其特征在于：所述整流板按一定上下间距，均匀地阵列于所述进气箱中。
3.根据权利要求1所述的一种可燃气体吹熄极限测试装置，其特征在于：所述加热段模块根据不同的气流预热温度采用一个或多个串联的方式。
4.根据权利要求1所述的一种可燃气体吹熄极限测试装置，其特征在于：所述燃烧器的上部燃烧口截面根据不同情况设计为各种形状。
5.根据权利要求1所述的一种可燃气体吹熄极限测试装置，其特征在于：所述燃烧器的上部燃烧口截面为圆形或圆环形或正方形或长方形或三角形。
6.根据权利要求1所述的一种可燃气体吹熄极限测试装置，其特征在于：所述热电偶和风速仪的安装位置避开该燃烧器的气流流动路线。
7.根据权利要求1所述的一种可燃气体吹熄极限测试装置，其特征在于：所述热电偶、风速仪以及高速摄像机的信号均接入数据采集卡，并通过计算机软件进行在线数据采集与监测。
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